AKU BISA

PENGARUH PENGGUNAAN FILLER METAL ER-308, ER-309, DAN

INCONEL 82 PADA PENGELASAN DISSIMILAR METAL ANTARA BAJA

KARBON A-106 DAN BAJA TAHAN KARAT A 312 TP 304H

ABSTRAK

Primary reformer adalah suatu bagian di industri pupuk yang berfungsi untuk mengalirkan gas

yang bekerja pada temperatur 600-800ºC dan tekanan 30 bar. Komponen ini berbentuk pipa yang tersusundari dua buah material yang berbeda yaitu baja karbon dan baja tahan karat. Dua buah material inidisambung dengan pengelasan jenis Gas Tungsten Arc Welding (GTAW). Kegagalan yang sering dijumpaipada kasus pengelasan Dissimilar Metal Welding (DMW) ini adalah disbonding yang kemungkinandisebabkan oleh kesalahan prosedur pengelasan. Penelitian ini membahas tentang perbandingan jenis fillermetal (ER-308, ER-309 dan Inconel 82) pada metode pengelasan (buttjoint dan buttering) terhadap kualitas lasan DMW. Pengujian yang dilakukan meliputi analisis kemampulasan, pengujian struktur mikro dan kekerasan. Kesimpulan yang dicapai dari pengujian ini adalah filler metal Inconel 82 paling bagus dibandingkan dua filler metal lainnya. Hal ini ditunjukkan dengan tidak ditemukannya type II grain boundary dan tipisnya darkband. Sebaiknya dilakukan buttering dulu sebelum pengelasan DMW. Tidak disarankan pemakaian baja karbon medium karena memperbesar darkband dan cenderung membentuk fasa getas. Kata kunci: GTAW, filler metal, DMW, disbonding, type II grain boundary, darkband

1. Pendahuluan

Primary reformer adalah suatu alat yang digunakan di PT. X yang berfungsi untuk memecahkan

gas hidrokarbon menjadi hidrogen. Proses reforming adalah proses reaksi CH4 + H20 CO + 3H2 yang memerlukan temperatur dan tekanan tinggi. Ammonia reformer tube biasanya dioperasikan pada suhu 600- 800ºC dan tekanan 30-40 bar. Primary reformer dibuat dari material yang berbeda. Pada flange menggunakan material baja karbon dan pada catalist tube menggunakan material baja tahan karat. Kedua material tersebut disambung dengan menggunakan las GTAW

dengan filler metal Inconel 82. DMW adalah suatu proses pengelasan biasanya antara baja tahan karat dengan baja yang lain. DMW ini sering dipakai ketika dibutuhkan perbedaan sifat mekanik atau sifat lainnya dalam aplikasi. Sebagai contoh, pipa baja tahan karat austenitik dipakai untuk mengalirkan uap temperatur dan tekanan tinggi di industri pembangkit daya. Untuk temperatur dan tekanan yang lebih rendah bisa digunakan baja karbon atau baja

paduan rendah lainnya demi kepentingan ekonomis [1]. Pengelasan antara baja tahan karat dan baja karbon akan menghasilkan perbedaan struktur mikro dan sifat mekanik pada daerah sambungannya. Pengontrolan struktur mikro daerah lasan (weld zone) khususnya saat

root pass sangat peting karena bisa terbentuk fasa 100% martensit, 100% austenit, atau fasa campuran austenit, ferit dan martensit [2,3]. Sebagai tambahan, akan terbentuk daerah transisi komposisi dari weld zone ke base metal. Daerah ini akan memiliki perbedaan struktur mikro dan sifat mekanik atau kimia dengan daerah di dekatnya [4]. Karena sebagian baja karbon dan baja

paduan rendah sesuai standar pengelasan membutuhkan post-weld heat treatment (PWHT), struktur mikro pada weld zone dan heat-affected zone (HAZ) perlu diperhatikan seksama akibat pengaruh PWHT tersebut [5]. Terdapat beberapa mekanisme retak atau kegagalan pada pengelasan DMW ini, antara lain: disbonding sepanjang type II boundaries, solidification cracking, kegagalan creep pada HAZ baja karbon, PWHT

cracking, dan sebagainya [1]. Contoh kegagalan karena disbonding pada primary reformer ditunjukkan pada

gambar 1.

Gambar 1. Disbonding pada primary reformer Primary reformer ini tersusun dari baja tahan karat austenitik (A312 TP 304H) dan baja karbon medium (A106 Grade B) dengan filler metal Inconel 82. Kegagalan ini terjadi setelah masa operasi 2 tahun dari perkiraan 4-5 tahun. Kegagalan ini kemungkinan disebabkan oleh karena kesalahan pemilihan filler

metalnya. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penggunaan filler metal ER-308, ER-309, dan Inconel 82 pada pengelasan baja karbon A-106 dan baja tahan karat A312 TP-304H dengan metode GTAW terhadap kualitas sambungan las.

2. Prosedur Penelitian

Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja karbon medium (A-106) dan baja tahan karat (A312 TP-304H). Metoda pengelasan yang dilakukan adalah dengan GTAW. Variasi filler metal yang digunakan adalah ER-8, ER-9 dan Inconel 82 dengan bentuk penyambungan butt dan buttering. Semua spesimen hasil pengelasan diperoleh dari PT. X. Karakterisasi yang dilakukan meliputi perhitungan kemampulasan, pengujian kekerasan dan struktur mikro.

3. Hasil dan Pembahasan

3.1 Hasil Prediksi Fasa dengan Diagram Schaeffler

Gambar 2 adalah hasil prediksi struktur mikro yang diplotkan dengan diagram Schaeffler buttering baja karbon A-106 dengan ER-308 menghasilkan nilai Cr equivalent sebesar 15.65 dan Ni equivalent sebesar 10.75. Dari fasa martensit pada base metal dan austenit+ferrit 20% pada filler metal menghasilkan austenit+martensit pada weld metal.

Gambar 3. Prediksi fasa buttering baja karbon A-106 dan ER-309

Pada gambar hasil prediksi struktur mikro yang diplotkan dengan diagram Schaeffler buttering baja karbon A-106 dengan ER-309 menghasilkan nilai Cr equivalent 17.92 dan nilai Ni equivalent sebesar 13.96. Dimana struktur mikro yang terjadi pada batas fusi dari srtuktur martensit pada base metal dan austenit+ferrite 10% pada filler metal menghasilkan struktur austenite pada weld metal.

Gambar 4. Prediksi fasa buttering baja karbonA-106 dan Inconel 82

Pada gambar 4 hasil prediksi struktur mikroyang diplotkan dengan diagram Schaeffler buttering baja karbon A-106 dengan Inconel 82 menghasilkan nilai Cr Gambar 3. Prediksi fasa buttering baja karbon A-106 dan ER-309 Gambar 2. Prediksi fasa Buttering baja karbon A-106 dan ER-308 menghasilkan nilai Cr.

equivalent 15.89 dan nilai Ni equivalent sebesar 51.51.Dimana struktur yang terjadi pada batas fusi dari fasa martensit pada base metal dan austenit pada filler metalmenghasilkan struktur austenite

Gambar 5. Prediksi fasa butt joint SS 304 H dan baja karbon A-106 menggunakan Inconel 82.

Pada gambar 5 hasil prediksi struktur mikro yang diplotkan dengan diagram Schaeffler buttjoint baja karbon A-106, SS 304H dengan Inconel 82 menghasilkan nilai Cr equivalent 19.11 dan nilai Ni equivalent sebesar 53.4. dimana struktur yang terjadi pada batas fusi dari struktur mikro martensit pada base metal baja karbon A-106, austenit pada SS A 312 TP 304H, dan austenit pada filler metal Inconel 82 menghasilkan struktur austenit pada weld metal. Kesimpulan yang diperoleh dari prediksi fasa dengan menggunakan diagram Scaeffler dapat dilihat pada tabel 1 berikut

Tabel 1. Hasil prediksi fasa

Bentuk sambungan                                    Fasa

Buttering CS – ER-308                            Austenit + Martensit

Buttering CS – ER-309                            Austenit

Buttering CS – Inconel 82                        Austenit

Butt CS – SS – Inconel 82                        Austenit

Terlihat dari tabel tersebut filler metal ER-308 akan menghasilkan fasa martensit + austenit yang mana fasa martensit ini dihindari dalam proses pengelasan.

3.2 Nilai Carbon Equivalence (CE)

Unsur karbon pada suatu material logam mempunyai pengaruh terhadap kemampulasan dari material logam. Makin besar harga CE, kemampulasan material tersebut akan makin berkurang dan membutuhkan berbagai perlakuan panas untuk memperbaiki sifatnya.

                 %Mn        % Cr+ % Mo +% V      % Si+ % Ni +% Cu

CE= %C+ -------  +  ------------------------   +  ------------------------

                      6                        5                                    15

Nilai carbon equivalent dari baja karbon A-106 grade B

CE = 0.3 + 0.67/6 + (0.4+0.15+0.08)/5 + (0.1+0.4+0)/15

      = 0.3 + 0.11 + 0.12 + 0.03

      = 0.56

Sesuai standar [6], baja karbon ini memerlukan preheat, PWHT dan kontrol temperatur interpass pada pengelasannya.

3.3 Analisis struktur mikro

Struktur mikro pada base metal baja karbon terdiri dari fasa ferit dan fasa perlit (Gb.7) Fasa ferit berwarna terang, sedangkan fasa perlit berwarna gelap.

Gambar 8-11 menunjukkan suatu daerah bernama Lord Hard Zone (LHZ) atau dark band yang merupakan daerah dimana terjadi difusi karbon dari HAZ baja karbon ke arah weld zone atau sebaliknya (tergantung mana yang memiliki kandungan karbon yang signifikan). Difusi karbon ini akan membentuk senyawa besi karbida atau martensit [1]. Ketebalan LHZ

dipengaruhi oleh masukan panas dan laju pendinginan. Difusi karbon mulai terjadi pada suhu 4000C dan makin tinggi suhunya akan mempercepat difusi karbon pada batas fusi [1]. Terlihat dari tabel 2, darkband dengan filler metal Inconel 82 paling tipis. Fenomena ini bisa disebabkan Inconel memiliki unsur utama nikel yang mana bisa menghambat laju difusi karbon dari HAZ baja karbon ke arah weld zone [1,7,8,9].

Tabel 2. Ketebalan darkband pada lasan buttering

Filler metal                                        Ketebalan (μm)

ER-308                                                     60

ER-309                                                     30

Inconel 82                                                 15

Dari foto struktur mikro di atas juga dapat dideteksi keberadaan type II grain boundary yang mana merupakan tanda terjadinya kegagalan disbonding.

Tabel 3. Type II grain boundary

Filler metal                                       Keberadaan

ER-308                                              Tidak ada

ER-309                                                   Ada

Inconel 82                                         Tidak ada

Type II grain boundary ini hanya dijumpai pada pengelasan dengan filler metal ER-309

3.4 Analisis Kekerasan

Gambar 12. Grafik kekerasan terhadap posisi buttjoint Inconel 82

Gambar 12 merupakan angka kekerasan dari pengelasan DMW dengan butt joint menggunakan filler metal Inconel 82. Di sana terlihat distribusi kekerasan dari base metal, HAZ, dan weld zone relatif homogen. Hasil ini sesuai dengan yang dipersyaratkan oleh NACE MR0715 dimana kekerasan pada semua daerah tidak boleh melebihi 250 VHN [10]

Gambar 13. Grafik kekerasan DMW baja karbon dengan buttering ER-308

Pada gambar 13 terlihat daerah antara HAZ baja karbon dan weld zone buttering ER-308 memiliki kekerasan di atas 250 HVN. Hal ini kemungkinan besar disebabkan oleh terbentuknya senyawa getas berupa krom karbida dan/atau martensit. Hal ini didukung dengan hasil prediksi fasa pengelasan baja karbon A 106 dengan filler metal ER-308 di mana pada weld zone akan terbentuk fasa austenit+martensit (lihat Gb.2 atau table 1) dan juga ditemukannya dark band (Gb. 8). Dari hasil ini dapat dikatakan bahwa pengelasan DMW dengan filler metal ER-308 tidak direkomendasikan karena akan menghasilkan fasa getas pada daerah batas fusinya.

Gambar 14. Grafik kekerasan DMW baja karbon dengan buttering ER-309

Serupa dengan hasil yang diperoleh pada gambar 13, pengelasan buttering dengan filler metal ER-309 akan menghasilkan fasa getas dengan kekerasan di atas 250 HVN pada daerah sekitar batas fusi. Data ini juga didukung dari pengamatan struktur mikro berupa dark band (lihat Gb. 9)

Gambar 15. Grafik kekerasan DMW baja karbon dengan buttering Inconel 82

Hasil pengelasan DMW buttering dengan filler metal Inconel 82 mengasilkan angka kekerasan di bawah 250 VHN pada semua daerah. Hasil ini serupa dengan sambungan butt seperti terlihat hasilnya pada gambar 12. Bila hasil ini dikaitkan dengan keberadaan dark band (Gb. 10 dan tabel 2), tipisnya dark band tidak terlalu berpengaruh terhadap angka kekerasan.

4. KESIMPULAN

1.      Pengelasan DMW antara baja karbon A-106 dan baja tahan karat A-312 TP 304H lebih cocok menggunakan filler metal Inconel 82 daripada ER- 308 dan ER-309. Hal ini dibuktikan dari distribusi kekerasan <250 VHN, tipisnya daerah dark band dan tidak ditemukannya type II grain boundary.

2.       Penggunaan filler metal ER-308 dan 309 dengan banyaknya unsur krom untuk penyambungan material dengan kandungan karbon yang cukup tinggi (baja karbon medium) tidak dianjurkan karena hal ini dapat menyebabkan terbentuknya karbida pada batas fusi.

DAFTAR PUSTAKA

1.      Lippold, J.C., Kotecki, D.J., 2005,”Welding Metallurgy and Weldability of Stainless Steel”, Wiley Inter Science, Canada

2.      Schaeffler, A.L., 1947,”Selection of austenitic electrodes for welding dissmilar metals”, Welding Journal, 26(10):601-620.

3.      Thielsch, H., 1952,”Stainless steel weld deposits on mild and alloy steels”, Welding Journal, 31(1):37-64.

4.      Pan, C., Wang, R., and Gui, J., 1990,”Direct TEM observation of microstructures of the austenitic/carbon steels welded joint, Journal of  material Science, 25:3281-3285.

5.       Lundin, C.D.,1982,”Dissimilar metal welds: transititon joints literatue review”, Welding Journal, 61(2):58-63.

6.      ASME QW-461.4, 2001, ”Welding General Requirements”, American National Standart

7.      ASM, 1993, “Welding Brazing And Soldering”, vol. 6, ASM Handbook Committe.

8.       Kou, Sindo, 2003,”Welding Metallurgy”, Wiley Inter Science, Canada. AWS WHB-4, 2003 “Dissimilar Metals”, AWS Handbook Committe.

9.      NACE MR0175, 2001, “General Principles For Selection of Cracking Resistant Materials” NACE International Standart.

10.  Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke-9 Palembang, 13-15 Oktober 2010

MATERIAL PROSES TEKNOLOGI

MATERIAL PROSES TECNOLOGI

(SK4,SKS3,SKD11 Dan SKH3 )

Empat pilihan Material Die yang secara umum di pakai dalam proses “cold-forging” di mana dalam study pemeriksaan sekarang untuk mendapatkan hubungan antara tingkat kekerasan dan leafe time die atau tingkat keausan die. Material die pertama heat-treated melalui pengembangan proses untuk mendapatkan nilai yang berbeda dari hardnes/ tingkat kekerasan.

Pendahuluan

Dimana tingkat keuletan material adalah suatu level keuntungan yang perlu di pertahankan. Sifat-sifat material dalam material die di ketahui melalui tension( tingkat ketegangan) dan impact test ( akibat di lakukannya pengetesan). Melaui investigasi dan data exsperiment, hubungan antara sifat-sifat material dan tingkat kekerasan di ketahui dan di bentuk. Model teori yang di juga di usulkan dalam study yang sekarang ini untuk memprediksikan tingkat keausan die material atau tingkat left timenya.Mempertimbangkan sifat-sifat mekanik pada die materialdi peroleh melalui uji material / exsperiment, dan titik jenuh total ketegangan( fatigue total strain ) merupakan parameter. Sejak sifat-sifat material di nyatakan dalam istilah Hardnes/ tingkat kekerasan. Ini lebih memudahkan untuk seorang design engineer dei sebagai podoman sederhana untuk memprediksikan tingkat keausan/life-time of cold-forging die dengan memakai mode teoritical purpose.

1.     Pengenalan.. 

   Sejak dies digunakan dalam proses Cold-forging harus menjalani dampak parah dan beban kondisi, Proses ini lebih rentan terhadap fraktur tiba-tiba dari sebagian besar komponen mesin lainnya. Untuk mempertahankan pemakaian die dan tahan terhadap  terhadap kegagalan stress, keuletan dan kekerasan die material adalah faktor penting dalam produksi die. Biasanya, material die harus keras untuk menahan perlakuan pada kondisi yang sngat parah, tetapi juga harus memiliki cukup keuletan untuk mencegah retak dan rapuh fraktur, yaitu dies dirancang untuk lebih tinggi tingkat  kekerasan dan keuletan. Namun, die dengan tingkat kekerasan yang lebih tinggi dapat dikaitkan dengan ketidak uletan karena  kurangnya perlakuan proses panas yang butuhkan. Secara umum, keuletan dies dapat diperoleh dengan proses heat-treatment yang tepat, tapi kekerasan dapat mempunyai banyak bervariasi. Oleh karena itu, proses heat-treatment yang menghasilkan tingkat yang lebih tinggi dari kekerasan untuk material die tanpa kehilangan keuletan adalah untuk dikembangkan untuk praktik aktual, sehingga desain die engineer dapat mengukur tingkat kekerasan material die untuk memperkirakan kualitas die, dengan asumsi bahwa keuletan material die  baik untuk spesifikasi. Mengikuti konsep ini, pedoman sederhana yang mengaitkan life time die dengan kekerasan die akan berguna bagi engineer untuk desain die

Dalam studi sekarang, proses heat-treatment yang meningkatkan kekerasan tanpa mengorbankan ketangguhan telah di kembangkan. Perbedaan proses heat-treatment di lakukan untuk memilih material die  termasuk SK4, SKS3, SKD11 dan SKH9, yang secara luas digunakan dalam industri Cold-forging, untuk mendapatkan  keuletan yang cukup dan variasi dari nilai kekerasan. Heat-treated  die material spesimen yang di persiapkan untuk digunakan dalam tes tensile/tarik dan stress tes untuk mendapatkan sifat mekanik dengan jarak lebar kekerasan. Untuk memprediksi life time die, model teoretis adalah juga diusulkan menggunakan kekerasan die sebagai parameter utama. Dalam hubungannya dengan keterbatasan elemen hasil simulasi dan sifat mekanik die materal Diperoleh dari percobaan, model teoretis dapat memprediksi life time die hingga tingkat tertentu.

2.  Heat-treatment proses

Pekerjaan penelitiantingkat life-tame/keausan, dalam cold-forging die material, seperti SK4, SKS3, SKD11 dan SKH9, dengan berbagai variasi nilai tingkat kekerasan pada tingkat keuletan yng cukup .Komposisi bahan kimia dari setiap materal die tercantum dalam Tabel 1. Proses heat-treatment untuk material die selalu mengalami proses quencihing dan Tampering. Untuk proses proses pendinginan, ada tiga faktor penting, termasuk: suhu pemanas yang tepat untuk berbagai austenite; menjaga transformasi pearlite; dan transformasi martensite atau bainite yang menginduksi saat pengerasan.

Table 1

The chemical composition dari material (wt.%)

Material	C	Mn	Si	W	Cr	Mo	v	other
SK4 SKS3 SKD11 SKH9	0.90±1.00 0.90±1.00 1.45±1.65 0.70±0.90	± 0.90±1.20 0.30±0.60 ±	± <0.35 0.20±0.40	± 0.50±1.00 ± 6.00±7.00	± 0.50±1.00 11.0±13.0 3.80±4.40	± ± 0.70±1.10 4.00±6.00	± ± 0.70±1.00 1.80±2.30	S < 0:003

Setelah proses quenching, tampering dilakukan untuk meningkatkan keuletan dan pengerasan material. Dalam studi sekarang, empat jenis die material pertama didinginkan dari suhu yang dipilih untuk memperoleh tingkat kekerasan yang berfariasi, ketika proses tempering yang dilakukan untuk meningkatkan keuletan dan untuk melepaskan tegangan yang tersisa dalam die material terlepas. Dua siklus tempering digunakan selama periode yang berbeda untuk die material. Dalam proses tempering yang pertama, austenite berubah menjadi martensite, sementara pembentukan suhu martensite pada kedua proses tempering secara substansial untuk meningkatkan keuletan material dan mempertahankan tingkat kekerasan. Syarat heat-treatment untuk masing-masing die material tercantum di dalam tabel 2,

Gambar 1 menunjukkan hubungan antara kekerasan dan suhu tempering untuk setiap material die yang Diperoleh dari hasil percobaan. Hal ini terlihat dalam gambar 1 di mana kekerasan menurun dari temperatur tempering tinggi ini di terapkan pada setiap die material. Perlu juga dicatat bahwa SK4 dan SKS3 berperilaku dengan kecenderungan yang sama, dan SKD11 dan SKH9 memiliki nilai kekerasan lebih tinggi dari  di banding SK4 dan SKS3 ketika di panaskan pada temperatur yang sama. Nilai-nilai kekerasan untuk masing-masing die material diperoleh dalam berbagai studi sekarang ini dari HRc 35 untuk HRc 60.

Kondisi Heat-treatment untuk memilih die materials.

Material	Quenching		Tempering
	Temperature(8C)	Time (min)	Temperature (8C)	Time (min)
SK4 SKS3 SKD11 SKH9	800  810 1010 1165	20 20 50  3	150±500 250±500 150±680 550±720	30 30 30 30

Fig1. Hubungan antara harness dan suhu teperatus

3.  Sifat-sifat material

Sejak kekerasan die material digunakan untuk memprediksi life-time/tingkat keausan die, sifat mekanik dari die material ditandai dengan tingkat kekerasan. Dalam studi sekarang, material die dengan berbagai nilai kekerasan yang disebutkan dalam bagian sebelumnya digunakan untuk mempersiapkan spesimen untuk ketegangan (tention) dan dampak tes (impact test) untuk mendapatkan hubungan antara sifat mekanik dan kekerasan. Sifat mekanik dari material die yang diperiksa dalam studi sekarang termasuk Young modulus, impact strength, elongasi, yield stres dan fraktur strength.

Hasil eksperimen memperlihatkan bahwa modulus Young dari material die hampir independen terhadap kekerasan, Modulus Young SK4, SKS3, SKD11 dan SKH9 yang di hasilkan dari eksperimen untuk variasi nilai kekerasan adalah 198, 202, 208 dan 214 GPa, masing-masing. Hal ini dicatat bahwa Young modulus di antara empat jenis die material berbeda.

Tingkat kekuatan (impact strength) dari die material akan berkurang dengan meningkatnya nilai kekerasan sesuai dengan hasil eksperimen. Dalam hal ini untuk mempertahankan keuletan pada kekerasan material die dan mencegah terjadinya fraktur rapuh/kerapuhan/getas, Die material yang di keraskan (heat-treated) dengan tambahan siklus tempering setelah menjadi keras. Dalam studi sekarang, dua siklus proses pemanasan (tampering process) dilakukan guna mempertahankan keuletan material die setelah di dinginkan(quenched). Elogasi material die juga memiliki kecenderungan yang sama seperti kuat dampak seperti yang ditunjukkan oleh eksperimen

Gambar 2 menunjukkan hubungan antara yield stres dan hardness untuk keempat material die yang dipilih seperti disebutkan di atas. Hal ini terlihat dalam Fig. 2 yang meningkatkan yield stres material die sebanding dengan tingkat kekerasan, dan hubungan dapat dirumuskan oleh fungsi linear, pada tabel Table 3. Adapun kekuatan fraktur material die, ini juga meningkat dengan meningkatkan nilai kekerasan, seperti ditampilkan di Fig. 3. Hubungan antara kekuatan fraktur dan kekerasan dapat di bentuk.

Fig 2. Hubungan hardness dan yield strength  /  Fig3. Hubungan hardness dan fracture strength

Table 3

Relationship between hardness (H) and yield strength (Y)

Material	Relationship (MPa)
SK4 SKS3 SKD11 SKH9	Yˆ 42:1H À 414:5 Yˆ 28:7H ‡ 296:1 Y ˆ 43:8H À 709:9 Yˆ 54:2H À 1188:6

diungkapkan oleh persamaan linear, hasil yang diberikan Tabel 4.

4 . Model teoretis prediksi tingkat jenuh die

Hal ini juga diketahui bahwa tingkat keausan die ditentukan oleh kondisi muatan yang terkandung dalam material die  dan sifat-sifat material die.

Tabel 4

Hubungan antara kekerasan (H) dan fraktur kekuatan (F)

Material	Relationship (MPa)
SK4 SKS3 SKD11 SKH9	F ˆ 24:4H ‡ 702:9 F ˆ 21:2H ‡ 869 F ˆ 29:2H ‡ 436:3 F ˆ 23:3H ‡ 952:6

Seperti yang dinyatakan dalam bagian sebelumnya, sifat-sifat material yang Diperoleh dari percobaan dapat berhubungan dengan kekerasan die. Oleh karena itu, studi saat ini, model teoretis menganjurkan menggunakan tingkat kekerasan material die sebagai parameter untuk memprediksi life-time/tingkat keasusan dan untuk menentukan kekerasan die untuk mendapatkan die dengan tingkat life-time pemakaian yang di inginkan. Karena untuk heavy loading yang diterapkan untuk die yang digunakan dalam proses cold-forging, deformasi plastik dapat terjadi pada posisi konsentrasi stress. Life-time Die sangat cepat jika terjadi plastik deformasi, dan akibatnya, model life-time perlu di pertimbangkan kecilnya kemungkinan kegagalan dalam menentukan life time die material.

Di bawah kekuatan kendali tingkat keausan /life-time , keausan elastis dan plastik strain , masing-masing, dinyatakan sebagai [1±3]:

Dee sHf

   ˆ …2Nf †B.   ………………………………………………………………..1

 2E

 Dan 

12 Dep ˆ eHf …2Nf †C         ………………………………………………….2

di mana “Dee” dan “Dep” adalah keausan elastis dan plastik strain, masing-masing, “sHf” dan “eHf” koefisien tingkat keausan dan koefisien tingkat keuletan, masing-masing, “Nf” jumlah siklus keausan, “B” kekuatan keausan eksponen,”C” keausan eksponen keuletan, dan “e” young modulus. Dengan mempertimbangkan persamaan. (1) dan (2), maka tingkat keausan/life time bisa di nyatakan.

De Dee Dep sHf

  ˆ‡ˆ …2Nf †B ‡ eHf …2Nf †C  ………………………………………………3

222E

di mana “De” adalah total strain keausan /life-time. Terjadinya plastik deformasi pada die harus dihindari dengan mendesign die dengan tepat. Besarnya tegangan plastik ( magnitude of the plastic) pada kegagalan secara umum harus lebih kecil dari elastic strain. Oleh karena itu, total tingkat keausan tegangan/ strain terletak pada sekitar keausan elastic/ tingkat elastisitas. Bagai manapun ketika keausan tegangan plastik tidak kecil dibandingkan dengan keausan tegangan elastis , keausan elastic strain tidak bisa digunakan secara langsung untuk mewakili tegangan  total. Akibatnya, keausan elastic strain harus diperbaiki melalui fungsi eksponensial dalam bentuk.

12 Deeˆ De…1 À eÀA=De † …………………………………………………4

di mana “A” adalah faktor koreksi yang ditentukan oleh eksperimen.

Mengingat persamaan. (1) dan (4):

                                       sHf

 De…1 À eÀA=De † ˆ    …2Nf †B………………………………………….5

                                        E

Eq(5) mewakili hubungan antara total keausan tegangan dan keausan pemakaian (fatigue life). Untuk sebagian besar kekerasan material die, fraktur strength “sf” sama dengan keausan kosfisien strength (fatigue strength coefficient) “sHf …sf ˆ sHf † [1]”. Oleh karena itu, tingkat keausan koefisien strength dapat digantikan oleh strength fraktur yang Diperoleh dari tes ketegangan (tention test). sejak strength fraktur Ramp sebanding dengan kekerasan, sebagaimana dinyatakan dalam bagian sebelumnya, koefisien kekuatan kelelahan (fatigue strength coefficient)  dapat juga dinyatakan dalam pengertian pada die.

Fig. 4. Hubungan antara parameter b dan kekerasan.

Fig. 5. The selected die con®guration for the ®nite element simulations

kekerasan. Untuk menyederhanakan model teoritis yang diusulkan, faktor a diperkenalkan ke dalam equivalent (4), yang memodifikasi kelelahan elastis ketegangan ke ketegangan total kelelahan, diasumsikan konstan untuk bahan-bahan mati yang diselidiki. Mengingat data pengujian kelelahan, A ditemukan untuk menjadi sekitar 0,02 untuk bahan-bahan mati yang diselidiki dalam studi ini. Adapun b konstan yang diperkenalkan ke dalam persamaan 1, ini tergantung dari kekerasan bahan mati. Untuk bahan mati dengan nilai-nilai yang berbeda dari kekerasan, B juga berbeda, nilai yang ditentukan dari tes kelelahan. Hubungan antara b dan kekerasan bahan yang digambarkan dalam Fig. 4. dengan semua konstanta materi ditentukan, ketegangan total kelelahan adalah belum ditemukan sehingga mati kelelahan kehidupan dapat meramalkan menurut equivalent (5). Karena bentuk mati biasanya tidak biasa dan kondisi pemuatan kompleks, deformasi mati adalah dif ® kultus dapat ditemukan analitis. Dalam studi sekarang, metoda unsur simulasi dilakukan untuk menentukan strain kelelahan mati karena akan menjadi layanan. Prosedur rinci digambarkan di bagian berikut.

Fig. 6. Finite element simulation of a cold-forging process.

5.  Predikasi kehidupan kelelahan dies

Pandangan dari equivalent (5), ketegangan total kelelahan dapat digunakan untuk memprediksi mati kelelahan hidup jika semua konstanta materi lain

sudah ditentukan dari hasil percobaan. Dalam rangka untuk memfasilitasi analisis, finite elemen simulasi dilakukan dalam studi sekarang untuk mendapatkan kelelahan total strain untuk set dipilih mati, seperti ditunjukkan pada gambar 5. Hal ini terlihat dalam gambar 5 bahwa geometri mati dirancang untuk menyertakan sudut tajam di mana deformasi plastik yang disebabkan oleh stres konsentrasi diperkirakan akan terjadi, mengakibatkan kegagalan rendah-siklus kelelahan mati. Semua empat mati bahan yang diperiksa dalam studi sekarang disimulasikan menggunakan konfigurasi mati sama, ditampilkan di Fig. 5, untuk mendapatkan kelelahan total ketegangan. Materi yang ditempa antara atas dan bawah mati adalah baja karbon rendah, dan deformasi diasumsikan kondisi pesawat-ketegangan. Metoda unsur program DEFORM dipekerjakan di masa kini studi untuk melakukan simulasi.Simulasi proses diilustrasikan pada gambar 6, dan ketegangan total kelelahan dihitung untuk setiap bahan mati. Substitusikan persamaan hasil simulasi ke equivalent (5), kelelahan diperkirakan hidup untuk setiap bahan mati dihitung dan layanan siklus yang tercantum dalam tabel 5

Table 5

Calculated fatigue life of the bottom die

Die material (50 HRc)	Fatigue strain (FEM)	Fracture stress (MPa)	B	Fatigue life (cycle)
SK4 SKS3 SKD11 SKH9	0.0098 0.0115 0.0109 0.01176	1992.9 1929 1896.3 2117.6	À0.1155 À0.1206 À0.1091 À0.1019	843 231 407 865

6.  Concluding remarks

The fatigue life of cold-forging dies with various values of hardness were investigated in the present study. Four kinds

of die materials, SK4, SKS3, SKD11 and SKH9 were examined. The die materials were heat-treated by the pro- posed quenching and tempering processes to obtain various values of hardness, while the ductility was retained at a favorable level. The heat-treated die materials were then used to prepare the specimens for the tension and impact tests to construct the relationship between the die material properties and the die hardness.

   A simple theoretical model was also proposed using the die hardness and the fatigue total strain as parameters to predict the die fatigue life. With the help of the finite element simulations, the fatigue total strain can be calculated and the die fatigue life is then predictable using the theoretical model. Since the die hardness is easily measurable, the proposed fatigue model is quite efficient in providing a convenient guideline for the estimation of the die quality

in any given cold-forging operation. However, the proposed fatigue model is yet to be validated by more experimental data.

Acknowledgements

The authors wish to thank the National Science Council of the Republic of China for its support under project #NSC87-2212-E002-043.

References

[1] American Society for Testing and Materials, Manual on Low Cycle

    Fatigue Testing, ASTM STP, Vol. 465, Philadelphia, PA, 1969, pp. 1±

    26.

[2] J.A. Bannantin, J.J. Comer, J.L. Handrock, Fundamentals of Metal

    Fatigue Analysis, Englewood Cliffs, NJ, Prentice-Hall, 1990.

[3] B.I. Sandor, Fundamental of Cyclic Stress and Strain, The University

    of Wisconsin Press, London, 1972.